董志國，李 昕

（1.新疆畜牧科學院草業(yè)研究所，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆烏魯木齊市科協(xié)，新疆 烏魯木齊 830026）

秸稈生物質資源綜合利用

董志國1，李 昕2

（1.新疆畜牧科學院草業(yè)研究所，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆烏魯木齊市科協(xié)，新疆 烏魯木齊 830026）

介紹秸稈生物質資源及其利用途徑，并分析秸稈生物質轉化為酒精燃料的條件。結合反芻動物瘤胃消化特性，提出利用反芻動物瘤胃對秸稈中的粗纖維的消化作用進行預處理，以糞便中殘余纖維素作為酒精發(fā)酵底物，殘余有機質再還田這一理論，為秸稈生物質資源有效利用提供方法。

秸稈；生物質資源；可再生能源；綜合利用

經濟社會發(fā)展與資源、環(huán)境相協(xié)調是人類活動的基本規(guī)則。我國地大物博，資源豐富，但人均占有量相對不足，加之資源利用效率低、保護意識差、污染嚴重等問題，使得資源環(huán)境問題日益突出，因此，現實國情決定了我國未來的發(fā)展必須是資源節(jié)約、環(huán)境友好的經濟增長模式。在資源利用上，提高不可再生資源的利用效率，發(fā)現替代資源、可更新資源及其利用方式，在生產、流通和消費的各個環(huán)節(jié)注重節(jié)能減排，形成低碳環(huán)保的生產方式和消費模式，緩解資源、環(huán)境與經濟發(fā)展之間的矛盾，促進社會可持續(xù)協(xié)調發(fā)展。

1 秸稈生物質

1.1 秸稈生物質資源 生物質是植物利用大氣、水、土地等通過光合作用而產生的各種有機體，它包括植物、動物和微生物。一般指農林牧業(yè)生產過程中，除糧食、果實以外的秸稈、樹木等木質纖維素和農產品加工業(yè)下腳料、農林廢棄物及畜牧業(yè)生產過程中的畜禽糞便和廢棄物等［1］。其中，木質纖維素類是地球上最豐富和廉價的可再生生物質資源。有資料表明，全世界每年植物體的干物質生成量高達 1.155×1014t［2］。 我國生物質資源更是種類繁多，數量巨大，每年僅農作物秸稈就達8億t，占生物質資源量的近一半，但由于長期受生產和生活方式影響，秸稈利用僅有30%，經處理利用的僅占2.6%［3］，有相當一大部分秸稈被廢棄或者焚燒，造成空氣污染和資源浪費。

1.2 秸稈還田利用

1.2.1 秸稈還田：秸稈含有豐富的有機質、氮、磷、鉀和微量元素，通過還田使養(yǎng)分回歸土壤，達到培肥地力和增產的目的［4］。秸稈還田包括直接粉碎入田和堆漚腐熟后還田等方式。實踐證明，秸稈還田對增加土壤肥力、改良結構、促進作物根系的發(fā)育及提高農產品產量和品質發(fā)揮一定作用，同時減輕了焚燒所造成的環(huán)境污染［5］。國外以直接粉碎或過腹還田為主，歐美國家秸稈還田率達到90%，在日本秸稈還田則成為一項農業(yè)耕作法規(guī)［6］。我國河北、江蘇等部分地區(qū)，在大力應用玉米機械化收獲技術基礎上，秸稈還田率達到90%以上。

實際上，在翻耕及輪作技術不到位的情況下，因秸稈降解效率低，秸稈還田不僅對土地作用有限，而且會對耕作產生不利影響，如連作時蟲卵、有害菌體會隨著秸稈帶進土壤［5］，一方面增強微生物對除草劑在土壤中的降解，縮短了藥效期并增加施用量，同時增加病蟲害風險［6］。另外，秸稈還田也存在機械成本高、農民不易接受等情況。

1.2.2 過腹還田：過腹還田是把秸稈作為飼料經動物消化吸收后的糞便，經腐熟后作為肥料施入土壤，達到培肥地力的目的［7］。粗飼料是反芻動物重要的基礎飼料，除提供部分營養(yǎng)外，對維持動物消化道正常蠕動、保持生理健康、提高利用年限和生產潛力發(fā)揮重要作用，一般占日糧40%甚至70%以上［8］，秸稈類是粗飼料重要來源。在20世紀90年代糧食和飼料資源短缺以及社會轉型過渡時期，秸稈養(yǎng)畜對我國大幅度增加牛、羊肉供應，降低養(yǎng)殖成本，增加有機肥和增加農民收入，特別是減少秸稈焚燒造成的環(huán)境污染及提高資源利用方面起到積極作用，并促進了農業(yè)的生態(tài)良性發(fā)展［9］。

2 秸稈生物質能源化利用

2.1 生物質能 能源是現代社會生存和發(fā)展的基礎。據世界能源機構報告，世界石油剩余可采年限僅有40年［10］。可以預見，化石能源終將耗竭，而隨之產生的污染問題也是積重難返。

生物質能是植物通過光合作用把太陽能固定到植物體內的能量，植物作為載體，每年儲存太陽能3.1×1013GJ，規(guī)模相當于目前世界能源消耗的10倍左右［10］。而且，植物光合作用相當于燃燒反應的逆過程，在沒有外界干擾的情況下，植物光合作用吸收和生物質燃燒產生的二氧化碳可以達到平衡［11］。因而，生物質能源是一種取用不盡、清潔的可再生能源。生物質可通過一定技術轉化為燃料、油料和燃氣等能源物質，包括燃料酒精、生物柴油、生物制氫等，可替代常規(guī)能源為各類運輸機械提供動力。目前，以燃料乙醇開發(fā)利用為多［11］。

2.2 生物乙醇 制備生物乙醇的原料主要有谷物、薯類、糖類（甘蔗、甜菜、糖蜜）和纖維素原料［10］。谷物和糖類影響糧食和土地安全，薯類不耐儲運，而價廉量大的木質纖維素，可經酶解和糖化發(fā)酵制備乙醇。因此，作為可再生資源，木質纖維有潛力成為未來生物質能源主流［11］。

木質纖維素由纖維素、半纖維素和木質素三部分組成。其中，纖維素占40%～50%，半纖維素占25%～35%，木質素占 15%～20%［5］。 半纖維素水解產物主要是木聚糖 （60%以上），發(fā)酵生成酒精速度慢，周期長。木質素則難以利用［4］。天然纖維素性質復雜，高度結晶，難以溶解，并被木質素和半纖維素緊緊包圍，難以直接被生物降解［11］。因此，利用秸稈發(fā)酵生產乙醇，首先必須破壞秸稈中的復雜結構，除去木質素，將纖維素和半纖維素釋放，并溶解半纖維素，增大酶與纖維素接觸面積，提高纖維素酶解和糖化效率，然后再經微生物發(fā)酵作用產生燃料乙醇［11］。所以，預處理、尋找產纖維素水解酶菌種以及改進發(fā)酵工藝是秸稈纖維素發(fā)酵生產燃料乙醇的3個關鍵問題，開發(fā)低成本、高效新型預處理技術，尋找或構建同時能利用五碳糖和六碳糖的微生物菌種，成為木質纖維素制備生物燃料乙醇的關鍵［12］。

目前，巴西、美國以生物質原料生產燃料乙醇走在了世界的前列［11］。我國在“十五”時期制定并推廣利用農作物秸稈、稻殼等木質纖維生物質生產生物燃料乙醇的計劃和工藝，但與發(fā)達國家相比，無論研究水平還是產能都相對過弱。

3 反芻動物瘤胃對纖維素的預處理作用

秸稈類生物質作為反芻動物粗飼料的重要來源，消化率僅為20%～30%，大多以糞便排出，糞便是反芻家畜主要副產品之一［13］。反芻動物瘤胃可全部降解半纖維素，部分降解纖維素，完全不能降解木質素［14］。纖維類物質經反芻動物消化后，剩下纖維素和木質素，其交聯結構也由于消化過程被打破，其良好的纖維素正好為糖化和糖酵解提供了原料，因此，反芻動物瘤胃是天然的半纖維素降解工廠。據研究，1頭成年奶牛1年排出糞便20 t左右，糞便中以粗纖維為主，達到 43.6%［15］，因此，利用瘤胃對秸稈等粗飼料消化作用，對其中營養(yǎng)物質和半纖維素起到過濾作用（相當于纖維素預處理當中的打破纖維素復雜結構和溶解半纖維素），殘留的高質量的纖維素用于發(fā)酵產酒精，這為牛糞能源化利用提供物質基礎。

集約化牛場每年排出大量糞便，如不及時妥善處理將形成巨大污染源［15］。以萬頭奶牛場為例，年產10萬t糞便，采取工業(yè)化處理，年產沼氣600萬m3，發(fā)電1000萬kW·h，生產沼渣、沼液優(yōu)質飼料和肥料5萬t，經濟效益十分顯著［15］。因此，對奶牛糞便無害化、資源化及循環(huán)利用，成為變廢為寶重要措施。

4 展望

我國能源相對短缺，以化石能源消費為主（占95%以上），進口依存度高（超過30%），這種能源消費格局不僅造成巨大溫室氣體排放，而且影響我國能源安全［11］。因此，我國迫切需要轉變能源生產和消費方式，大力提高清潔可再生能源生產和消費比例，生物質能源作為可再生、清潔能源，無疑成為解決環(huán)境污染和可替代能源的重要新能源之一。

我國的生物質資源價廉量大，除去用于造紙、飼料以及肥田外，還有近4億t秸稈可作為能源物質加以利用［16］，利用反芻動物瘤胃消化道對秸稈纖維素類物質消化預處理和過濾，隨糞便排出的纖維素用以發(fā)酵產生酒精，最后殘渣再還田。通過這種秸稈綜合利用措施，可從根本上解決秸稈資源的再利用問題，應用前景非常廣闊。

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Comprehensive Utilization of Straw Biomass Resources

DONG Zhi-guo1，LI Xin2
（1.Grassland Institute， Xinjiang Academy of Animal Science， Urumqi 830002，China；2.Association of Science and Technology of Urumqi City，Urumqi 830026，China）

The straw biomass resources and its utilization approach were introduced,and the transforming condition from straw biomass to fuel ethanol was analyzed.Based on the digestion characteristics of ruminants′rumen,the utilization mode of straw biomass that the crude fiber in straw was pretreated in the ruminants′rumen,the residual fiber in the feces of the ruminants was used as alcohol fermentation substrates and the residual organic matters were incorporated was proposed,so as to provide approaches for the effective utilization of straw biomass resources.

straw；biomass resources；renewable energy；comprehensive utilization

S38；TK6；X712

A文章順序編號：1672-5190（2016）08-0054-02

2016－07－28

項目來源：國家科技支撐計劃項目（2012BAD13B00）。

董志國（1969—），男，副研究員，碩士，碩士生導師，主要從事草地資源及飼草料開發(fā)研究工作。

（責任編輯：錢英紅）